暫堵轉(zhuǎn)向壓裂用遠(yuǎn)程控制投球器的研制與應(yīng)用

摘要：暫堵轉(zhuǎn)向工藝是多簇射孔簇開啟的有效方法，而投球器是實(shí)施暫堵轉(zhuǎn)向工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一?，F(xiàn)有頁(yè)巖氣開發(fā)采用的液動(dòng)旋塞投球器無(wú)法多次定量精準(zhǔn)投球，無(wú)法滿足當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)需求。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，研制了一種高壓遠(yuǎn)程控制投球器，采用螺旋投球原理實(shí)現(xiàn)精確計(jì)數(shù)，采用側(cè)裝動(dòng)力總成和分體式頂蓋總成便于拆裝，可實(shí)現(xiàn)140 MPa承壓能力、多次精準(zhǔn)投球、裝球數(shù)量大，且操作簡(jiǎn)單。暫堵轉(zhuǎn)向壓裂用遠(yuǎn)程控制投球器經(jīng)廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，完全滿足140 MPa承壓能力、多次精準(zhǔn)投球、裝球數(shù)量大。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了新型投球器具有密封可靠、精確投球、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，滿足了國(guó)內(nèi)超高壓堵塞球分層壓裂工況的使用要求，可全面替代現(xiàn)有的液動(dòng)旋塞閥投球器。

關(guān)鍵詞：暫堵轉(zhuǎn)向；遠(yuǎn)程控制；螺旋輸送；高壓投球器

中圖分類號(hào)：TE934" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.012

Development and Application of Romote Control Ball Injector for Temporary Blockage Steering and Fracturing

LIU Xiaoxu1，3 ，REN Yong2 ，ZHANG Hongqiao1，3，QI Tianjun2，WANG Zhixi2，WANG Degui1，3，WU Xiaoxiong1，3，WANG Qianmin1，3

（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji，721002，China ；2.Downhole Technology Operation Company of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610500，China；3.China National Oil and Gas Drilling

Equipment Engineering Technology Research Center Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

Abstract： The temporary plugging and turning process represents an effective methodology for the opening of multiple clusters of perforations. The ball injector constitutes a pivotal piece of equipment for the implementation of the aforementioned process. The existing hydraulic rotary plug ball injector utilized in shale gas development is unable to accurately and quantitatively throw balls on multiple occasions， which is inadequate to meet the demands of on-site operations. In response to this challenge， a high-pressure remote control ball injector has been developed， which employs the spiral ball injector principle to achieve precise counting. The apparatus is equipped with a side-mounted power assembly and a split-type top cover assembly， facilitating disassembly and assembly. It is capable of withstanding a pressure capacity of 140 MPa， and is designed with multiple precise ball injectors and a large number of balls to be loaded. The operation is simple， and the remote control ball injector for temporary blocking and turning fracturing has been tested in a controlled setting and in a real-world context. It has demonstrated the capacity to achieve a pressure of 140 MPa， facilitate multiple precise ball injections， and accommodate a substantial number of balls. Following a series of on-site trials， it has been demonstrated that the new ball injector model exhibits a number of advantages， including reliable sealing， precision， straightforward operation， and a high degree of safety and reliability. The new device meets the requirements of domestic ultra-high pressure blockage ball layered fracturing conditions and can fully replace the existing hydraulic plug valve ball injector.

Key words：" temporary blocking steering；remote control；screw conveyor；high-pressure injector

暫堵轉(zhuǎn)向工藝是多簇射孔簇開啟的有效方法，是在壓裂一段時(shí)間后，投入一定數(shù)量的暫堵球，封堵已壓開裂縫的射孔眼，從而使其他未起裂的射孔簇起裂和延伸新裂縫，進(jìn)一步提升所有射孔簇改造均勻程度，而投球器是實(shí)施暫堵轉(zhuǎn)向工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一［1］。暫堵工藝需要根據(jù)射孔孔眼尺寸、數(shù)量、施工壓力等參數(shù)確定暫堵球的尺寸、密度及數(shù)量［2-6］。投球器需要具有較大的球徑尺寸；需要具備精準(zhǔn)投放各種密度暫堵球的能力；需要具備靈活選擇投球時(shí)機(jī)和改變投球數(shù)量的能力［7-9］。由于缺少專用投球器，深層頁(yè)巖氣開發(fā)普遍使用“液動(dòng)旋塞閥+三通”做為投球裝置，配套液壓控制系統(tǒng)。該投球方法雖裝球方便，技術(shù)成熟，但存在的缺陷有：①控制系統(tǒng)體積大，控制距離有限；②投放順序不能靈活調(diào)整，僅能一次投球，無(wú)法多次定量精準(zhǔn)投球，裝入后要么不投，要么全投；③不能投放低密度暫堵球；④平臺(tái)井需要安裝多個(gè)液壓旋塞閥進(jìn)行投球，管線刺漏風(fēng)險(xiǎn)高，連接管線勞動(dòng)強(qiáng)度大［10-15］。目前，投球器壓力級(jí)別普遍達(dá)不到140 MPa，迫切需要進(jìn)行承壓140 MPa遠(yuǎn)程控制投球器的研制。

1 技術(shù)分析

1） 投球器整體耐壓能力需達(dá)到140 MPa。在密封設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮投球器在高壓下各連接處的靜密封，還需考慮輸出軸處的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封。

2） 投球器裝球數(shù)量和球徑范圍需滿足現(xiàn)有工況?？紤]到國(guó)內(nèi)實(shí)際工況，需保證投球器裝球數(shù)量≥120個(gè)，球徑范圍覆蓋？準(zhǔn)13～？準(zhǔn)22 mm，可投放密度1.25～2.18 g/cm3的暫堵球，并能實(shí)現(xiàn)裝球、回收球操作簡(jiǎn)便。

3） 投球器需具備遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)投送能力。投球器需要研究伺服電機(jī)的選用與精細(xì)控制，將投球誤差控制在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)投球器多次定量精準(zhǔn)投球，將高壓下摩擦扭矩控制在合理范圍內(nèi)，確保電機(jī)輸出扭矩有安全余量。

4） 投球器需具有防砂卡、防銹蝕能力。投球器要滿足加砂壓裂和酸化壓裂施工工藝，要防止投球器在使用后出現(xiàn)砂卡、腐蝕的情況，進(jìn)而出現(xiàn)轉(zhuǎn)不動(dòng)、取不出、密封泄露等問(wèn)題，因此需要考慮軸承及密封防砂卡，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件防銹蝕的問(wèn)題。

1.1 結(jié)構(gòu)原理

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂用遠(yuǎn)程控制投球器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由機(jī)械本體、遙控器、防爆線纜和遠(yuǎn)程控制箱四部分組成。機(jī)械本體由底座總成、球筒、頂蓋總成、動(dòng)力總成等組成。底座總成是用于連接壓裂設(shè)備的三通；球筒內(nèi)部采用螺旋輸送原理，將暫堵球輸送到底座三通；頂蓋總成用于裝球和保護(hù)球筒內(nèi)部，采用中軸承外置的方式便于手動(dòng)操作（可在意外情況下手動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝球、投球），頂蓋總成采用分體式結(jié)構(gòu)便于拆裝；動(dòng)力總成是一組防爆伺服電機(jī)，為機(jī)械本體的球筒提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。遙控器用于設(shè)備端直接操作，防爆線纜把動(dòng)力總成和遠(yuǎn)程控制箱連接起來(lái)。遠(yuǎn)程控制箱控制動(dòng)力總成的防爆伺服電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)投球、退球等操作。

1.2 工作流程

投球工作壓裂施工前，將已在球筒內(nèi)裝滿暫堵球的投球器本體通過(guò)高壓管線與管匯橇和壓裂車相連，遠(yuǎn)程控制箱放在遠(yuǎn)離施工高壓區(qū)域60 m以外的地方，接入220 V交流電源，并通過(guò)防爆線纜連接到投球器本體的防爆伺服電機(jī)上。投球工作流程圖如圖2所示。

需投暫堵球時(shí)，設(shè)置好總投球數(shù)后，按下（開始/停止）按鈕，電機(jī)帶動(dòng)螺旋軸低速旋轉(zhuǎn)，設(shè)備自動(dòng)投出設(shè)定數(shù)量的球后自動(dòng)停止，暫堵球?qū)⑦B續(xù)、均勻地落入底座三通，隨壓裂液進(jìn)入井中，同時(shí)，遠(yuǎn)程控制箱會(huì)實(shí)時(shí)顯示已投的暫堵球數(shù)量。完成該段壓裂后，再次設(shè)定需投球數(shù)，完成設(shè)定數(shù)量的暫堵球投放。在施工間隙補(bǔ)充暫堵球，按照上面操作完成下次投球。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂用遠(yuǎn)程控制投球器主要技術(shù)參數(shù)如下所示：

接口形式 FIG2002（？準(zhǔn)76.2 mm）

通徑 ？準(zhǔn)76.2 mm

額定工作壓力 140 MPa

強(qiáng)度試驗(yàn)壓力 210 MPa

球徑范圍 ？準(zhǔn)13 mm～？準(zhǔn)22 mm

裝球數(shù)量 " " " 156個(gè)（？準(zhǔn)18 mm～？準(zhǔn)22 mm）/

186 個(gè)（？準(zhǔn)13 mm～？準(zhǔn)18 mm）

材料級(jí)別 AA

性能級(jí)別 PR1

適用介質(zhì) 壓裂液、攜砂液、酸等

最大流量 3.34 m3/min

防護(hù)等級(jí) IP65

遠(yuǎn)控距離 ≥60 m

自動(dòng)投球速度 ≥120 個(gè)/min

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1） 承壓能力高，投球器可承壓140 MPa。

2） 投球精度高，可自動(dòng)多次任意投放密度為1.25～2.18 g/cm3的暫堵球。

3） 裝球數(shù)量多，覆蓋球徑范圍廣。

4） 耐酸、堿能力強(qiáng)，防砂效果好，適應(yīng)多介質(zhì)作業(yè)。

5） 可自動(dòng)裝球，頂蓋總成重量輕，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

2 室內(nèi)測(cè)試

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂用遠(yuǎn)程控制投球器在組裝好后進(jìn)行無(wú)線傳輸試驗(yàn)、靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)、靜水壓密封試驗(yàn)、投球速度試驗(yàn)、帶壓轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)、投球精度試驗(yàn)、高壓循環(huán)狀態(tài)投球試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果全部合格。經(jīng)檢測(cè)140 MPa暫堵轉(zhuǎn)向壓裂用遠(yuǎn)程控制投球器性能良好。各室內(nèi)試驗(yàn)名稱及結(jié)果如表1所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 威204某平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

投球器在威204某平臺(tái)進(jìn)行了第1次工業(yè)性試驗(yàn)，該平臺(tái)采用“長(zhǎng)段短簇+暫堵勻擴(kuò)+控液增砂”壓裂模式。投球器安裝在井口爬坡管線之前，如圖3～4所示。投放暫堵球球徑為？準(zhǔn)11 mm和？準(zhǔn)13.5 mm兩種，合計(jì)89顆，該平臺(tái)完成共計(jì)4段的自動(dòng)投放暫堵球的施工，現(xiàn)場(chǎng)最大施工壓力73 MPa，工作一切正常，無(wú)刺漏。對(duì)投球器的退球功能也進(jìn)行了驗(yàn)證，預(yù)留2顆暫堵球，施工結(jié)束后，進(jìn)行退球操作，順利取出2顆暫堵球，證明投球計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，退球功能正常。

3.2 大安1H某平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

投球器在大安1H某平臺(tái)進(jìn)行了第2次工業(yè)性試驗(yàn)，該平臺(tái)使用可溶橋塞作為分段工具，采用電纜泵送橋塞+分簇射孔分段壓裂工藝。投球器安裝在壓裂車和管匯撬之間，如圖5～6所示，完成了6段的自動(dòng)投放暫堵球的施工，投放暫堵球球徑為？準(zhǔn)18 mm和？準(zhǔn)22 mm兩種，合計(jì)57顆，現(xiàn)場(chǎng)最大施工壓力100 MPa，試驗(yàn)過(guò)程中，偶遇大雨天氣，投球器在大雨的惡劣環(huán)境中仍然能正常運(yùn)行，驗(yàn)證了投球器的防護(hù)能力。

3.3 黃202某平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

投球器在黃202某平臺(tái)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，安裝在電驅(qū)撬和高低壓管匯撬之間，如圖7～8所示。投球器在該平臺(tái)完成了4段自動(dòng)投放暫堵球的施工，投放暫堵球球徑為？準(zhǔn)15 mm，合計(jì)68顆?，F(xiàn)場(chǎng)最大施工壓力110 MPa左右，試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)泄露、刺漏等問(wèn)題，各項(xiàng)功能均正常。在該平臺(tái)進(jìn)行了投球器遠(yuǎn)程遙控距離測(cè)試，將遙控器放置在距離投球器本體60 m以外的地方，無(wú)線信號(hào)連接正常，可通過(guò)遙控器正常操作投球器。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用總結(jié)

投球器分別在威204某平臺(tái)、大安1H某平臺(tái)、黃202某平臺(tái)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，共作業(yè)14段，共投放暫堵球214顆，共投放？準(zhǔn)11.5、？準(zhǔn)15、？準(zhǔn)19、？準(zhǔn)22 mm四種規(guī)格暫堵球。在此期間投球器經(jīng)過(guò)了近30段壓裂，施工最高壓力110 MPa，密封無(wú)刺漏。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了投球器裝球、投球、退球、無(wú)線信號(hào)傳輸功能，各項(xiàng)功能均正常。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該投球器自動(dòng)化程度高，安全可靠。該裝置與常規(guī)液壓旋塞閥式投球器相比，可進(jìn)行自動(dòng)精確投球和退球。采用常規(guī)由壬連接，連接位置可選高低壓管匯撬與井口之間，也可接單泵與高低壓管匯撬之間，連接拆卸方便快捷，通用性強(qiáng)。

4 結(jié)論

1） 暫堵轉(zhuǎn)向壓裂用遠(yuǎn)程控制投球器整體耐壓能力能達(dá)到140 MP，裝球數(shù)量≥120個(gè)，球徑范圍覆蓋？準(zhǔn)13～？準(zhǔn)22 mm，能自動(dòng)投送任意數(shù)量和密度1.25～2.18 g/cm3的暫堵球，并能實(shí)現(xiàn)裝球、回收球操作簡(jiǎn)便，同時(shí)具備遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)投送能力，且具有防砂卡、防銹蝕能力。

2） 該投球器基于螺旋輸送原理，進(jìn)行了投球器功能分析，開展了結(jié)構(gòu)方案、遠(yuǎn)程控制等方面的研究，解決了現(xiàn)有液動(dòng)旋塞閥投球器難以高壓密封和多次定量精確計(jì)數(shù)的難題。工業(yè)試驗(yàn)應(yīng)用證明該投球器能全面替代現(xiàn)有的液動(dòng)旋塞閥投球器，滿足140 MPa使用工況的要求，可實(shí)現(xiàn)不停泵遠(yuǎn)程控制投球，投球精度高，自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，適應(yīng)多介質(zhì)作業(yè)。

3） 該投球器通過(guò)了出廠試驗(yàn)，且在威204某平臺(tái)、大安1H某平臺(tái)、黃202某平臺(tái)得到有效應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該投球器操作簡(jiǎn)單、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、安全可靠，滿足國(guó)內(nèi)超高壓堵塞球分層壓裂工況的使用要求。

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作者簡(jiǎn)介：劉曉旭（1979-），女，四川自貢人，工程師，現(xiàn)從事鉆井及作業(yè)工具研究，E-mail：liuxiaoxu999@cnpc.com.cn。